專利名稱：一種具有低偏振像差的偏振分合色器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于反射式投影機(jī)的具有低偏振像差的偏振分合色器件。
背景技術(shù)：
數(shù)字投影顯示的發(fā)展趨勢是向兩個“極端”發(fā)展，一方面是向所謂的“皮”投影 (pico-projection)即微型顯示系統(tǒng)發(fā)展，另一方面是向超高亮度和超高清晰度的大型顯 示系統(tǒng)發(fā)展。在諸如電影院、大型智能化指揮所、大型集會等各種場合，人們呼喚著一種超 高亮度和超高清晰度的大屏幕投影顯示技術(shù)。因此如何提高光能利用率，使顯示亮度提高 到1萬流明以上是急待解決的一個問題；如何從I象素的高清顯示(1920X1280)提高到 4K象素的超高清顯示是急待解決的另一個問題。現(xiàn)有反射式投影機(jī)的偏振分合色器件由于偏振像差較大，在超高亮度和超高清晰 度的大型顯示系統(tǒng)中已不敷應(yīng)用，主要技術(shù)問題有短波通膜和長波通膜透射分光曲線的 S，P偏振分離大，不僅導(dǎo)致光能損失，而且損失的那一部分光在器件內(nèi)通過多次反射、折射 后變成了雜散光，導(dǎo)致圖像清晰度和對比度下降；短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位 相差太大，使一部分光由線偏振光變成扁橢圓偏振光，由于偏振分合色器件入射光是S線 偏振光，調(diào)制后的信號光是P線偏振光，扁橢圓偏振光中的S偏振成分同樣將導(dǎo)致光能量損 失和引入雜散光；超高亮度工作時棱鏡和薄膜之間溫度過高會導(dǎo)致棱鏡和薄膜膠合失效和 薄膜表面的熱變像差，甚至導(dǎo)致棱鏡破裂。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種具有低偏振像差的偏振分合 色器件。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的發(fā)明人獲得了減小光線在薄膜中的入射角是獲得 低偏振像差之關(guān)鍵所在的認(rèn)識，首次推導(dǎo)了一個方程組以尋求光線在薄膜中的可能的最小 入射角，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)紅、蘭、綠三路光在偏振分合色器件中的等光程原理，重新設(shè)計了 一個偏振分合色器件；設(shè)計了一個未見過報道的短波通膜和長波通膜，獲得了比現(xiàn)用短波 通膜和長波通膜更小的透射分光曲線的S，P偏振分離以及短波通膜與長波通膜合成的S， P偏振位相差；把器件設(shè)計成全空氣隙，控制每個空氣隙的平行度和增大空氣隙的間隔。這 些突破使器件獲得了很低的偏振像差，從而在偏振轉(zhuǎn)換過程中不僅提高了光能利用率，而 且改善了圖像清晰度和對比度。本實(shí)用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件不僅可以用于超高亮度和超高 清晰度的大型投影機(jī)，而且同樣可用于現(xiàn)有的反射式投影機(jī)以取得更好的投影效果。具體地說，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是該具有低偏振像差的偏振分合色器 件包括反紅透蘭綠分合色棱鏡、反蘭透綠分合色棱鏡和透綠分合色棱鏡，所述反紅透蘭綠 分合色棱鏡的第二棱鏡面上鍍有短波通膜，所述反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上鍍有 長波通膜，所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的短波通膜與所述反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面平行且相互之間存在空氣隙，所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第一棱鏡面 與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32° 40° ；所述反蘭透綠分合色棱 鏡的第一棱鏡面與所述反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32° 40° ；所述反蘭 透綠分合色棱鏡第二棱鏡面上的長波通膜與所述透綠分合色棱鏡的入射面平行且相互之 間存在空氣隙。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第一棱鏡面與所述反紅透蘭 綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32°，所述反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面與所述 反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32°，以獲得更優(yōu)的效果。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述短波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為1.9 3. lnm，所述長波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0. 8 1. 2nm ；短波通膜和長波通 膜合成的S, P偏振位相差在整個工作波長上為大于-16度且小于49度。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述短波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為1. 9nm，所 述長波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0. Snm ；短波通膜和長波通膜合成的S，P偏 振位相差在整個工作波長上為大于-10度且小于四度。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的短波通膜與 所述反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面之間的空氣隙的間距為30 35微米。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的長波通膜與所 述透綠分合色棱鏡的入射面之間的空氣隙的間距為30 35微米。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型用長波通膜替換所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面 上的短波通膜，用短波通膜替換所述反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的長波通膜。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述長波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0.8 1. 2nm，所述短波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為1. 9 3. Inm ；短波通膜和長波通 膜合成的S, P偏振位相差在整個工作波長上為大于-16度且小于49度。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述長波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0. 8nm，所 述短波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為1.9nm，短波通膜和長波通膜合成的S，P偏 振位相差在整個工作波長上為大于-10度且小于四度。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還包括直角梯形偏振棱鏡，所述直角梯形偏振棱鏡的斜腰 所在的棱鏡面與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第一棱鏡面平行且相互之間存在空氣隙。需要說明的是，本實(shí)用新型首次推導(dǎo)出了偏振分合色器件中反紅透蘭綠分合色棱 鏡、反蘭透綠分合色棱鏡和透綠分合色棱鏡必須滿足的條件如式(1)所示
Z5 1 θ > ~
3
sm
+ sin “1 NA
⑴η式(1)中，θ為棱鏡中光線入射到短波通膜和長波通膜的入射角，η為棱鏡的折射 率，NA為數(shù)值孔徑。借助于式(1)求出光在短波通膜和長波通膜中最小的入射角，根據(jù)紅、蘭、綠三路 光在偏振分合色器件中的等光程原理設(shè)計出一個新的偏振分合色器件，這是本實(shí)用新型減 小偏振像差的重要技術(shù)關(guān)鍵；為了避免超高亮度工作時棱鏡面和短波通膜或長波通膜之間 溫度過高而導(dǎo)致棱鏡面和短波通膜或長波通膜之間的膠合失效以及短波通膜或長波通膜表面的熱變像差，甚至導(dǎo)致棱鏡熱致破裂，同時為了滿足光線的全反射條件，提出反紅透蘭 綠分合色棱鏡第二棱鏡面上的短波通膜與反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面之間以及反 蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的長波通膜與透綠分合色棱鏡的入射面之間都必須互 相構(gòu)成一定寬度的平行空氣隙，這是本實(shí)用新型減小偏振像差所必須的。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型通過對一個特殊濾光器HLH2L2H2LHLHL中的2L2H2L進(jìn)行厚 度調(diào)諧，H表示高折射率膜層Ti02，L表示低折射率膜層SiO2,發(fā)現(xiàn)一個奇異的特性在反射 帶的短波側(cè)或長波側(cè)，某些干涉級次的反射-透射過渡區(qū)具有很小的S，P偏振分離，而另一 些干涉級次的反射-透射過渡區(qū)具有很大的S，P偏振分離，這一特性的發(fā)現(xiàn)，對減小或增大 偏振分離的設(shè)計極為重要，由此獲得了一個未見報道過的新型短波通膜和長波通膜，與現(xiàn) 有的短波通膜和長波通膜相比，不僅降低了短波通膜和長波通膜透射分光曲線的S，P偏振 分離，而且減小了短波通膜與長波通膜合成的S, P偏振位相差，這是本實(shí)用新型進(jìn)一步減 小偏振像差的技術(shù)關(guān)鍵。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是針對現(xiàn)有的偏振分合色器件在偏振轉(zhuǎn)換過程中還有進(jìn)一步提高光能量利用率的 潛力，以及S，P偏振位相差過大因而造成器件偏振像差太大而不能完全滿足超高亮度和超 高清晰度的投影機(jī)的應(yīng)用要求，提出了一種具有低偏振像差的偏振分合色器件，以滿足超 高亮度和超高清晰度的反射式投影機(jī)的應(yīng)用需求，它能同時為反射式投影機(jī)提供偏振光分 色(分成三基色S偏振光)和偏振光合色(三基色S偏振光經(jīng)調(diào)制變成P偏振信號光后合 成彩色圖像)的雙重功能。本實(shí)用新型器件的透射分光曲線的S，P偏振分離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有器件透射分光曲 線的S，P偏振分離，本實(shí)用新型的器件S，P偏振分離的減小主要?dú)w功于短波通膜和長波通 膜中光線入射角θ的減??；此外，新的短波通膜和長波通膜的使用也對本實(shí)用新型偏振分 合色器件的S，p偏振分離的減小發(fā)揮重要作用。由于偏振分合色器件總的透射率為S，P偏 振能量的乘積，這意味著S，P偏振之間的波長分離區(qū)域的光能量會無法利用而被損失，因 此本實(shí)用新型的器件可以大大提高光能利用率而顯著提高投影顯示亮度。更有甚者，S, P 偏振分離造成的光能損失在器件內(nèi)會形成大量雜散光，因此本實(shí)用新型的器件還可顯著改 善圖像清晰度和對比度。本實(shí)用新型器件的短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位相差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于現(xiàn)有器 件短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位相差，本實(shí)用新型的器件S，P偏振位相差的減 小也歸功于短波通膜和長波通膜中光線入射角θ的減小和新的短波通膜和長波通膜的使 用。短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位相差較大時會導(dǎo)致部分線偏振光變成扁橢圓偏 振光，而S偏振光是不能參與成像的，因此扁橢圓偏振光中的S偏振分量也會導(dǎo)致光能量損 失和產(chǎn)生雜散光。現(xiàn)有技術(shù)從未認(rèn)識到通過把立方偏振棱鏡改為直角梯形偏振棱鏡可以顯著減小 偏振像差，現(xiàn)有技術(shù)也從未認(rèn)識到可用一個特殊濾光器進(jìn)行厚度調(diào)諧，獲得反射-透射過 渡區(qū)S，P偏振分離非常小的短波通膜和長波通膜，現(xiàn)有技術(shù)更從未認(rèn)識到長波通膜和短波 通膜合成的S，P位相差對偏振像差的重要影響。

圖1是本實(shí)用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件的工作原理示意圖。圖2是現(xiàn)有偏振分合色器件與本實(shí)用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件 的工作狀態(tài)示意圖的比較(a)現(xiàn)有的偏振分合色器件；(b)本實(shí)用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器。圖3是現(xiàn)有偏振分合色器件短波通膜和長波通膜與本實(shí)用新型的偏振分合色器 件短波通膜和長波通膜的S，P偏振光的透射分光曲線圖的分離比較(a)現(xiàn)有偏振分合色器件短波通膜和長波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離；(b)本實(shí)用新型的偏振分合色器件短波通膜和長波通膜在2 θ = 32度時透射分光 曲線的S，P偏振分離；(c)本實(shí)用新型的偏振分合色器件短波通膜和長波通膜在2 θ = 40度時透射分光 曲線的S，P偏振分離。圖4是現(xiàn)有偏振分合色器件短波通膜和長波通膜與本實(shí)用新型的偏振分合色器 件短波通膜和長波通膜S，P偏振位相差與波長的關(guān)系圖的比較(a)現(xiàn)有偏振分合色器件短波通膜和長波通膜的S，P偏振位相差；(b)本實(shí)用新型偏振分合色器件短波通膜和長波通膜在2 θ = 32度時的S，ρ偏 振位相差；(c)本實(shí)用新型偏振分合色器件短波通膜和長波通膜在2 θ = 40度時的S，ρ偏 振位相差。圖5是現(xiàn)有偏振分合色器件與本實(shí)用新型的具有低偏振像差的偏振分合色器件 的偏振象差的示意圖的比較(a)現(xiàn)有偏振分合色器件的透射光偏振象差；(b)本實(shí)用新型偏振分合色器件的透射光偏振象差。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型偏振分合色器件包括反紅透蘭綠分合色棱鏡1、反蘭透綠 分合色棱鏡2和透綠分合色棱鏡3。在反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第二棱鏡面上鍍上短波通膜系4，使入射到反紅透 蘭綠分合色棱鏡1的S偏振白光分為二路其中一路是反射的S偏振紅光經(jīng)反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第一棱鏡面全反射 后經(jīng)反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第三棱鏡面入射到紅光圖像調(diào)制器8 ；S偏振紅光經(jīng)紅光圖 像調(diào)制器8調(diào)制后形成P偏振紅光再沿原路返回，P偏振紅光依次經(jīng)由反紅透蘭綠分合色 棱鏡1的第一棱鏡面和第二棱鏡面的短波通膜4反射，最后經(jīng)反紅透蘭綠分合色棱鏡1的 第一棱鏡面出射。另一路是透射的S偏振蘭綠光進(jìn)入反蘭透綠分合色棱鏡2的第一棱鏡面后由反 蘭透綠分合色棱鏡2的第二棱鏡面的長波通膜5再分為兩路其中一路是，反射的S偏振藍(lán) 光經(jīng)反蘭透綠分合色棱鏡2的第一棱鏡面全反射后經(jīng)反蘭透綠分合色棱鏡2的第三棱鏡面 入射到藍(lán)光圖像調(diào)制器9，S偏振藍(lán)光經(jīng)藍(lán)光圖像調(diào)制器9調(diào)制后形成P偏振藍(lán)光再沿原
7路返回；P偏振藍(lán)光依次經(jīng)由反蘭透綠分合色棱鏡2的第一棱鏡面和第二棱鏡面上的長波 通膜5反射后，再依次透過反蘭透綠分合色棱鏡2的第一棱鏡面和反紅透蘭綠分合色棱鏡 1的第二棱鏡面上的短波通膜4，最后經(jīng)反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第一棱鏡面出射。另一 路是，透射的S偏振綠光依次透過透綠分合色棱鏡3的入射面和出射面到綠光圖像調(diào)制器 10，S偏振綠光經(jīng)綠光圖像調(diào)制器10調(diào)制后形成P偏振綠光再沿原路返回，P偏振綠光依次 經(jīng)由透綠分合色棱鏡3的出射面和入射面、反蘭透綠分合色棱鏡2第二棱鏡面上的長波通 膜5和第一棱鏡面、反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第二棱鏡面上的短波通膜4，最后經(jīng)反紅透 蘭綠分合色棱鏡1的第一棱鏡面出射。這樣，由反紅透蘭綠分合色棱鏡1的第一棱鏡面出射的P偏振紅光、P偏振藍(lán)光和 P偏振綠光就可合成彩色圖像，經(jīng)直角梯形偏振棱鏡檢偏振后最后由投影物鏡投射到屏幕 上。而根據(jù)圖1所示的工作原理和參數(shù)，要使本實(shí)用新型偏振分合色器件正常工作， 經(jīng)過公式推導(dǎo)必須滿足式(1)所示的條件，即
權(quán)利要求1.一種具有低偏振像差的偏振分合色器件，它包括反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)、反蘭 透綠分合色棱鏡( 和透綠分合色棱鏡(3)，所述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面 上鍍有短波通膜G)，所述反蘭透綠分合色棱鏡O)的第二棱鏡面上鍍有長波通膜(5)，所 述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面上的短波通膜(4)與所述反蘭透綠分合色棱鏡 (2)的第一棱鏡面平行且相互之間存在空氣隙，其特征在于所述反紅透蘭綠分合色棱鏡 (1)的第一棱鏡面與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面的夾角為32° 40° ； 所述反蘭透綠分合色棱鏡( 的第一棱鏡面與所述反蘭透綠分合色棱鏡( 的第二棱鏡面 的夾角為32° 40° ；所述反蘭透綠分合色棱鏡O)的第二棱鏡面上的長波通膜( 與所 述透綠分合色棱鏡(3)的入射面平行且相互之間存在空氣隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述反紅透 蘭綠分合色棱鏡(1)的第一棱鏡面與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面的夾角 為32°，所述反蘭透綠分合色棱鏡O)的第一棱鏡面與所述反蘭透綠分合色棱鏡O)的第 二棱鏡面的夾角為32°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述短 波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為1.9 3. lnm，所述長波通膜(5)的透射分 光曲線的S，P偏振分離為0. 8 1. 2nm ；短波通膜⑷和長波通膜(5)合成的S，P偏振位 相差在整個工作波長上為大于-16度且小于49度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述短波通 膜⑷的透射分光曲線的S，P偏振分離為1.9nm，所述長波通膜(5)的透射分光曲線的S， P偏振分離為0. 8nm;短波通膜(4)和長波通膜( 合成的S，P偏振位相差在整個工作波長 上為大于-10度且小于四度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述反 紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面上的短波通膜(4)與所述反蘭透綠分合色棱鏡(2) 的第一棱鏡面之間的空氣隙的間距為30 35微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述反 蘭透綠分合色棱鏡( 的第二棱鏡面上的長波通膜( 與所述透綠分合色棱鏡( 的入射 面之間的空氣隙的間距為30 35微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是用長波 通膜替換所述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第二棱鏡面上的短波通膜，用短波通膜替換所 述反蘭透綠分合色棱鏡O)的第二棱鏡面上的長波通膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述長波通 膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0. 8 1. 2nm，所述短波通膜的透射分光曲線的S，P 偏振分離為1. 9 3. Inm ；短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位相差在整個工作波長上 為大于-16度且小于49度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是所述長波通 膜的透射分光曲線的S，P偏振分離為0. 8nm，所述短波通膜的透射分光曲線的S，P偏振分 離為1. 9nm,短波通膜和長波通膜合成的S，P偏振位相差在整個工作波長上為大于-10度 且小于四度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有低偏振像差的偏振分合色器件，其特征是該偏振分合色器件還包括直角梯形偏振棱鏡(12)，所述直角梯形偏振棱鏡(1 的斜腰所在的棱鏡面 與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡(1)的第一棱鏡面平行且相互之間存在空氣隙。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種具有低偏振像差的偏振分合色器件，其反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上鍍有短波通膜，反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上鍍有長波通膜，反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面上的短波通膜與反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面平行且相互之間存在空氣隙，反紅透蘭綠分合色棱鏡的第一棱鏡面與所述反紅透蘭綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32°～40°；反蘭透綠分合色棱鏡的第一棱鏡面與反蘭透綠分合色棱鏡的第二棱鏡面的夾角為32°～40°；反蘭透綠分合色棱鏡第二棱鏡面上的長波通膜與透綠分合色棱鏡的入射面平行且相互之間存在空氣隙。本實(shí)用新型具有低偏振像差，不僅提高光能利用率，且改善圖像清晰度和對比度。
文檔編號G02B27/18GK201820038SQ20102052185
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者唐晉發(fā), 張梅驕, 艾曼靈, 金波, 陶占輝, 顧培夫 申請人:杭州科汀光學(xué)技術(shù)有限公司